熱間圧延工場のバックアップロールの表面補修技術に関する研究

概要：ロールの母材を分析し、適切な表面仕上げ材を選択します。バックアップロール表面仕上げ溶接用の専用治具を開発し、サブマージアーク溶接機の種類を決定します。模擬ロールの製造とテストを通じて、クラッディングプロセスと熱処理プロセスを決定し、最適化します。2つのサポートローラーのオーバーレイ溶接修理は段階的に完了しました。

キーワード: バックアップロール; 表面処理; 耐摩耗性

近年、表面仕上げ技術の成熟度が増すにつれて、表面仕上げ法を使用して一部の種類の古いロールを修復し、ロールの使用寿命を延ばすことは、我が国の大中規模企業がコストを削減し、設備の稼働率を向上させるための重要な対策となっています。これは、我が国の省エネと消費削減、グリーン環境保護の要件にも合致しています。表面仕上げ技術は、機械製造業界における製造とメンテナンスの経済的で迅速かつ効果的な手段にもなっています。宝鋼株式会社には、専門のロールメーカーの鍛造または鋳造バックアップロールを使用する3つの熱間圧延ラインがあります。典型的な化学成分は、0.4%〜0.5% C、5% Cr、および少量の他の合金元素です。作業層の典型的な金属組織は、マルテンサイトまたは下位ベイナイトと少量のCr₇C₃炭化物であり、ロールネックの典型的な金属組織はパーライトです。新型バックアップロールの許容硬度範囲は65～71HSD、ロール表面硬度変動は2HSD未満、ロールネック硬度は35～45HSDです。現在、宝鋼は毎年10本以上の熱間圧延バックアップロールを消費しており、その表面を表面仕上げ補修する必要性が非常に高まっています。

1 バックアップロール表面層の設計

1.1 熱間圧延鋼板のクラッド層用溶接材料の選択と製造 バックアップロール

溶接材料を選択する際には、次の指標を考慮する必要があります。

（１）ロール本体と溶接材料の適合性は、脆い金属化合物の生成を避けるために両者が相互に溶解する必要があることを意味する。また、両者の融点、膨張係数、熱伝導率、比抵抗などの物理的性質の違いも考慮する必要がある。

（２）溶融部の組成、性質、構造。溶融部は、表面処理層と基材との境界領域、および表面処理層同士の境界領域である。境界領域には、一般に、溶融線と結晶化遷移領域が含まれる。溶接部の各層の結晶化特性は異なるため、組成の変化により性能の悪い遷移層が形成される可能性がある。例えば、合金鋼溶接層を低炭素鋼にクラッドすると、遷移層中のＣ含有量が大幅に増加し、脆い金属化合物が大量に形成され、溶接層の割れが発生する。表面処理工程では、遷移層の生成と成長を可能な限り回避または制御し、オーステナイト形成元素を多く含む表面処理材など、脆い相の生成を抑制できる元素やプロセスを可能な限り使用する必要があります。以上の原則に基づいて、選択された溶接材料の組成を表１に示す。

表1 溶接材料の化学組成（質量分率、%）

	Ｃ	Cr	シ	モ	ミネソタ	ニ	フラックス	人権擁護団体
ベースレイヤー	0.10	1.00	0.80	0.60	1.9	0.9	HJ260	28
遷移層	0.35	2.66	0.23		1.64	0.85	HJ260	32
作業層	0.26	5.28	0.32	3.43	2.51	3.4	HJ260	45

1.2 溶接ワイヤとフラックスの表面処理前の準備

サブマージアーク自動溶接は、その高効率性と安定した品質により、金属構造部品などの製造プロセスで広く推進されています。しかし、中低炭素鋼や低合金構造部品の溶接生産に適用する場合、そのような鋼構造の溶接プロセス中に最も顕著な問題は、ワークピースの溶接部に亀裂が発生することです。主な原因の1つは、溶接材料の水分含有量です。したがって、サブマージアーク溶接プロセスを使用して大型サポートローラーを表面処理する場合、フラックスを厳密に乾燥させる必要があります。

1.3 表面層の設計

表面仕上げ材の機械的特性要件を表2に示します。

表2 硬質表面（加工）層材料の機械的性質

0.2/MPa	平方ミリメートル/MPa	A(%)	KV/J	HSDC の
885~900	1150～1160	2.5~4.5	18~19	58～62

（1）基層：低炭素および低合金の表面処理材料を使用して、溶接材料と母材との良好な適合性と十分な可塑性を確保し、溶接材料と母材の溶接強度を確保します。大型鍛造サポートローラーはすべて高炭素合金鋼です。母材の炭素当量が高く、溶接性が悪いです。母材とクラッド金属との間の良好な冶金結合を確保するために、ハードフェーシング作業層の前に基層をクラッドする必要があります。基層材料は、低炭素および中炭素表面処理合金システムに合わせて、母材の合金組成に応じて選択する必要があります。合金システムの金属組織と表面処理材料の強度と靭性を考慮する必要があります。ローラー本体と硬質表面処理層はどちらも濡れ性と接着性が良好です。合金組成がわずかに低い場合は、靭性に優れたステンレス鋼合金システムを選択する必要があります。被覆合金システムに微量合金元素を添加して粒子を微細化し、介在物の形状を変化させることで、被覆合金の強度と靭性を向上させます。

（2）遷移層：遷移層の表面層の硬度と強度は、基層と作業層の硬度と強度の中間にあります。両者の互換性がよく、過去と次の間のリンクとして機能し、表面の硬い表面層に良好な基礎を築きます。遷移層は基層と作業層の間に位置し、遷移緩衝の役割を果たします。したがって、遷移層材料は、良好な強度と靭性、および良好な層間結合性能を備えていなければなりません。遷移層の表面厚さは一般に7〜14 mmであり、表面層構造はベイナイト+ソルバイト+少量の他の組織と炭化物、またはベイナイト+マルテンサイト+少量のその他の組織と炭化物から選択されます。

（3）作業層：作業層の強度と耐摩耗性を向上させるために、合金含有量の高い溶接ワイヤを使用します。同時に、作業層の溶接材料も、ロールの性能を確保するために、対応する耐腐食性を備えている必要があります。機械的性質は表2に示されています。

2 バックアップロール表面処理

2.1 表面処理プロセスの設計

適切な表面仕上げプロセスパラメータを採用することは、安定した表面仕上げプロセスと良好な溶接品質を確保するための効果的な手段です。表面仕上げ溶接の品質に影響を与える主なプロセスパラメータは次のとおりです。溶接電圧、電流、溶接速度、ワークピースの回転速度、溶接層の厚さ、溶接ビード間のオーバーラップ量、溶接位置、ワークピースの表面仕上げ部分の勾配、段差のコーナー曲率など。

2.1.1 旋削

クラッディングの前に、超音波検査と着色検査を使用して、古いロールリングとロールネックの疲労層旋削を含む欠陥の位置と深さを決定します。これは、バックアップロールの最終的なクラッディングの品質を確保するための鍵です。

2.1.2 予熱

予熱の主な目的は、クラッディングプロセス中のクラッド金属と熱影響部の冷却速度を低下させ、硬化傾向を低下させて溶接応力を低減し、クラッディングプロセス中に母材とクラッド金属が相変化して亀裂が発生するのを防ぐことです。予熱温度の決定は、母材と肉盛材料のC含有量と合金含有量に基づいて行う必要があり、材料のマルテンサイト変態温度Ms点よりも高くする必要があります。

バックアップローラーに関しては、母材とクラッド材の合金含有量が比較的高いため、バックアップロールのサイズとクラッドの厚さが大きいことと相まって、溶接応力が大きくなります。亀裂や気孔を防ぎ、表面仕上げ開始時に溶接層と母材の融合を改善し、亀裂や溶接欠陥を回避するために、予熱温度をできるだけ高くする必要があります。実際の操作での許容度を考慮して、表面仕上げ前に応力緩和を560℃で70時間維持し、表面仕上げを開始する前に炉を370℃に冷却する必要があります。加熱プロセス中は、ローラー本体の内部が徹底的に加熱され、ローラー本体の内外の温度が均一になるように、温度上昇を遅くし、予熱温度上昇率を≤25℃/hにする必要があります。予熱および保持時間は、サポートローラーの外径に応じて決定されます。原理としては、ローラーブランクを外側から内側に向かって加熱し、200～300℃で十分な時間維持し、ローラー表面を均一に加熱する必要があります。

2.1.3 クラッド溶接工程における層間温度とローラー本体温度の均一性制御

肉盛工程中の層間温度が適切かどうかは、クラックなどの工程欠陥を防ぐ上で重要な役割を果たします。層間温度が 300°C 以上 (材料のマルテンサイト変態温度 Ms 点以上) であることを保証する必要があります。クラッド金属のマルテンサイト変態と焼入れ焼戻しの影響を回避するために、溶接後、クラッド層全体が熱処理電気炉で同時にマルテンサイト変態を起こします。この方法でのみ、クラッド層の構造の均一性と硬度を確保できます。

二次使用ロールの補修・肉盛工程では、母材肉盛部の温度を工程要求に従って厳密に管理し、常に肉盛母材の予熱の均一性を確保する必要があります。母材肉盛溶接部の温度が工程要求より低い場合は、肉盛溶接を中止して中間加熱を行い、母材肉盛溶接部の温度が工程要求に達した後に肉盛溶接を続行する必要があります。肉盛工程全体は、母材を一定温度に厳密に維持することを基本として実施し、溶融後の強度を確保する必要があります。

バックアップロールに関しては、母材とクラッド材の合金含有量が比較的高いため、バックアップロールのサイズと肉盛厚さはどちらも大きく、溶接応力が高くなります。複数の溶接機の調整とパス間温度の一貫性を維持するために、パス間温度を厳密に制御する必要があります。ローラー表面を肉盛するときは、側面の加熱と断熱を継続することに加えて、熱放散が速いため、炎ヒーターを使用して両端に適時に加熱と断熱を追加する必要があります。

2.1.4 中間応力緩和熱処理

クラッディングロールは多層マルチパス溶接であるため、後層は前層に熱処理効果をもたらし、溶接部における水素の蓄積も層ごとに増加します。そのため、クラッディングプロセス中に、クラッディング厚さが一定の範囲（片側クラッディング厚さ20〜25 mm）に達したら、焼鈍熱処理を実行してクラッディング応力が除去されるようにし、その後、クラッディングを所定のサイズまで継続する必要があります。

基層、遷移層、作業層のクラッド材のマルテンサイト変態点が異なるため、通常は最も高いマルテンサイト変態点を持つ材料が層間温度の基準値として使用されます。バックアップローラーの材料については、温度を480〜520℃に制御する必要があり、温度を約20時間維持し、炉を400℃まで冷却してから炉肉盛を開始します。クラッドの厚さが図面で要求されるサイズに達するまで、クラッドと組織の改善の熱処理プロセスを繰り返します。

2.1.5 溶接後熱処理

溶接後に表面層の良好な金属組織を得るために、分散強化処理（焼き戻し）は、V₄C₃、Mo₂C、Cr₇C₃などの炭化物を十分に析出させて分散強化を行うために溶接後に必要です。表面層の硬度を調整し、表面処理プロセス中の熱膨張と収縮によって引き起こされる溶接応力を除去します。溶接後熱処理の主な目的は、溶接後の構造を改善し、溶接応力を除去することです。表面処理後のバックアップローラーは、熱処理前にゆっくりと冷却し、250℃を超えないようにする必要があります。熱処理炉の初期温度は約280℃で、480〜520℃までゆっくりと加熱し、20時間保温します。520〜450℃の範囲では、1時間ごとに温度が10℃以上低下することはありません。温度が450℃まで下がると電源を切って炉をゆっくり冷やし、常温で炉内を排出します。

バックアップローラーは表面溶接された後、ゆっくりと冷却し、温度が250°Cを超えないようにしてから、専用の熱処理電気炉に引き上げて焼き戻し処理する必要があります。熱処理炉では、炉内の温度均一性が良好で、温度測定が正確で、温度制御プロセスが精密である必要があります。熱処理プロセス全体の加熱、保温、冷却は、プロセス要件に従って厳密に実行する必要があります。

材料の性能を十分に発揮させるためには、540～560℃の高温焼戻しを選択する必要があります。焼戻し温度が高すぎても低すぎても、表面層の硬度が低下します。これは、温度が高すぎるとマルテンサイトの分解と炭化物の凝集が激しくなり、温度が低すぎると分散強化効果が不十分になるためです。適切な焼戻し温度は、十分な焼戻し時間によって補完されます。焼戻し後の表面層の金属組織は、焼戻しマルテンサイト+炭化物です。

炉送り工程では、厚いアスベストパッドを使用してロールを包み、ロールの温度が急激に低下するのを防ぐことができます。同時に、炉内の初期温度は、サポートロールの予熱温度または層間温度の必要な範囲内にする必要があります。加熱工程中は、均一な温度を確保するために、加熱速度を遅くする必要があります。冷却工程中は、新しい応力の発生を防ぐために、ゆっくりと冷却する必要があります。サポートローラーが徐々に50℃まで冷却されたら、オーブンから取り出して室温まで自然に冷却することができます。同時に、冷却工程中にローラー本体の端縁と中間部分の温度の一貫性を確保し、端縁の急速な冷却による硬度の差を回避します。

2.1.6 バックアップロールネック保護

焼戻し中はジャーナルを保護する必要があります。ジャーナルは熱処理プロセスの温度の影響を受けてはいけません。温度がジャーナルに影響を与えると、ジャーナルの表面が酸化され、この部品の形状公差に影響を与え、さらには軸方向の曲がりにより同心度が公差を大幅に超える原因になります。バックアップローラーは重く、溶接に時間がかかり、常に回転しているため、ローラーの両側のジャーナルを保護する必要があります。ジャーナルのサイズに合わせて、鍛造ブッシング2個（2900 / 400 mm×300 mm）を加工します。加工後、ローラーの両側のジャーナルに組み立てて固定します。ローラーブッシングは直列に動かないでください。

2.2 表面処理プロセス

表面処理工程のパラメータを表3に示します。ローラー表面の着色検査と超音波検査により、ローラー表面を回転（>1436 mm）させて、表面処理溶接に影響する亀裂、気孔などの欠陥がないことを確認します。

表3 表面処理工程パラメータ

予熱温度 ℃	溶接電流A	電圧V	溶接速度 mm/分	ワイヤー突出量 mm	パス間温度 ℃	中間熱処理℃	溶接後熱処理 ℃
350～450	400～550	28~32	380～500	20～35	280～320	450～500	480～520

肉盛溶接は、基層、遷移層、作業層に分かれています。基層は2層で設計されており、片側は約7mmです。遷移層は2層で設計されており、片側は約7mmです。作業層は、修理要件に応じて、ローラー表面に多層肉盛を行う必要があります。20〜30mmの中間肉盛溶接後、ロール表面の直径が合意された要件に達するまで熱処理を実行する必要があります。肉盛前に、溶接ワイヤとフラックスを200°Cで乾燥させ、2時間保持します。

最初の炉封熱処理：>200℃に加熱して4〜6時間保持、>300℃に加熱して5〜10時間保持、>400℃に加熱して5〜10時間保持、>560℃に加熱して20〜30時間保持。炉を<400℃に冷却し、最初の表面溶接のために炉を開きます。ステライト∅4mm、108溶接ワイヤ+ 260フラックスを使用して、2つのベース層を溶接します。次に、ステライト∅04mm、107M溶接ワイヤ+ 260フラックスを使用して2つの遷移層を溶接し、254溶接ワイヤ+ 260フラックスを使用して硬質表面を∅1491mm×2090mmに溶接します。

2 回目の炉封熱処理: >200℃ に加熱して 4 ～ 8 時間保持、>400℃ に加熱して 10 ～ 14 時間保持、>560℃ に加熱して 8 ～ 12 時間保持します。炉を <400℃ まで冷却し、炉を開いて 2 回目の表面仕上げ溶接を行い、ステライト 254 溶接ワイヤ + 260 フラックスを使用して ∅1545 mm×2075 mm に溶接します。

3回目の炉封熱処理：200℃まで冷却して5～9時間保持、>300℃まで加熱して8～10時間保持、>400℃まで加熱して8～10時間保持、>560℃まで加熱して5～8時間保持。炉を<400℃まで冷却し、炉を開いて3回目の表面仕上げ溶接を行います。ステライト254溶接ワイヤ+260フラックスを使用して、∅1594.5mm×2065mmに溶接します。

第4炉封熱処理：>200℃に加熱して6〜8時間保持、>300℃に加熱して6〜8時間保持、>400℃に加熱して8〜10時間保持、>560℃に加熱して8〜10時間保持、炉を室温まで冷却します。

表面仕上げ面は滑らかで、亀裂や気孔などの欠陥がないことが必要です。表面仕上げ層は緻密な構造を持ち、欠陥がなく、品質が安定しています。典型的な表面仕上げ層構造を図 1 に示します。

(a) 低倍率 (b) 高倍率

図1 表面層の金属組織

3 クラッドローラーの硬度と工業的応用

クラッドロールの硬度は表4に示されています。肉盛溶接の表面硬度は61〜63HSDであり、要件を満たしていることがわかります。

修理されたバックアップローラーは、2012年9月に初めて機械で使用されて以来、R3下部ローラーステーションで10回使用されています。詳細は表5を参照してください。摩耗結果によると、通常のロール交換サイクルでは、0764#サポートローラーの相対摩耗は0.2〜0.4 mmで、通常のローラーと同じレベルです。

表4 0764#バックアップローラー硬度試験結果（HSD）

ローラー本体	1	2	3	4	5
バス1	62	62	62	62	62
バス2	62	63	62	62	61
バス3	62	62	63	63	62
バス4	61	62	62	62	62

表5 0764#バックアップローラーの使用履歴

シリアルナンバー	機械の始動日	機械の取り外し日	機械直径 mm	圧延トン数	研削前の直径 mm	絶対摩耗 mm	相対摩耗 mm	研削後の直径 mm
1	2012.09.13	2012.09.28	1583.30	25600	1582.90	0.40	0.1054	1581.85
2	2012.10.09	2012.11.08	1581.85	453318	1580.95	0.90	0.3408	1577.85
3	2012.12.04	2013.01.05	1577.85	456413	1577.05	0.80	0.3312	1573.50
4	2013.01.29	2013.02.26	1573.50	360362	1572.80	0.70	0.2014	1570.00
5	2013.03.29	2013.04.23	1570.00	367017	1569.00	1.00	0.3140	1566.10
6	2013.08.12	2013.09.17	1566.10	539741	1565.50	0.60	0.2865	1562.00
7	2013.10.28	2013.12.06	1562.00	477281	1561.61	0.39	0.3017	1558.20
8	2014.01.07	2014.02.02	1558.20	393157	1557.80	0.40	0.3805	1554.40
9	2014.03.31	2014.05.03	1554.40	529014	1553.45	0.95	0.3307	1550.40
10	2014.06.04	2014.07.03	1550.40	452598	1549.60	0.80	0.2578	1546.40

4 結論

（１）各表面層の溶接ワイヤ材質を決定し、作業層ワイヤ組成はCr5Ni3Mo3、ベース層は20CrNiMoとする。

（２）旋削加工では、ローラー表面の残留疲労層を除去する必要があり、予熱温度、層間温度、溶接後熱処理温度は、母材とクラッド材のマルテンサイト変態温度よりも高くする必要があります。表面処理工程では、バックアップロールネックを保護するためにブッシングを使用する必要があります。

（3）表面仕上げ補修された支持ローラーは、2050年生産ラインのR3およびR4フレームの使用要件を満たすことができ、クラッディングローラーのミリメートル厚さは通常のバックアップローラーの厚さと同等です。バックアップローラーの表面仕上げ補修技術の推進と応用は、優れた経済的および社会的利益をもたらします。